EP4144190A1 - Barriere gegen verschwimmen von smt-bauteilen - Google Patents

Barriere gegen verschwimmen von smt-bauteilen

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EP4144190A1
EP4144190A1 EP21722455.9A EP21722455A EP4144190A1 EP 4144190 A1 EP4144190 A1 EP 4144190A1 EP 21722455 A EP21722455 A EP 21722455A EP 4144190 A1 EP4144190 A1 EP 4144190A1
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EP
European Patent Office
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adhesive point
adhesive
contact surface
component
smd component
Prior art date
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Pending
Application number
EP21722455.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph HAIDEN
Johannes Spitzer
Christoph Rainer
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ZKW Group GmbH
Original Assignee
ZKW Group GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for position-stable soldering of an SMD component to a circuit carrier.
  • the invention relates to a circuit carrier produced according to the method according to the invention. Furthermore, the invention can also relate to a motor vehicle headlight and / or a control device comprising a circuit carrier according to the invention.
  • AT 515071 A1 discloses a method in which an electronic component to be soldered is fixed to a circuit carrier by means of adhesive dots, the adhesive dots being hardened before a soldering process is started in order to prevent the components from becoming blurred.
  • the volume of items to be soldered is reduced during the soldering process due to the outgassing of flux. This reduction can be up to 50%, for example. If an electronic component is therefore firmly glued in its position, it must be ensured that there is a sufficient excess of items to be soldered in order to ensure that a sufficient amount of items to be soldered is present at the soldering point despite the shrinkage of the item to be soldered. If, as in AT 515071 A1, the component to be soldered is fixed in its position before the soldering process, the decrease in the volume of the item to be soldered is compensated for by "overprinting" to allow this excess solder to flow to the actual contact point during the melting process.
  • One object of the invention is therefore to create a method which provides a solution to the above-mentioned problem.
  • This object is achieved with a method of the type mentioned at the beginning in that the following steps are provided according to the invention: a) Provision of a circuit carrier comprising at least one carrier plate contact surface coated with solder paste, which is set up for electrical, thermal and / or mechanical contacting of the SMD component to be connected is, the circuit carrier at least in the area of the carrier plate contact surface with a number of filled vias that cannot be wetted with molten solder (it can be, for example, electrical insulating material such as resin, i.e.
  • the method according to the invention makes it possible, on the one hand, to permanently fix the position of the SMD component in a horizontal plane and to prevent the component from becoming blurred, and at the same time to enable the component to sink in relation to the circuit carrier, thus enabling a homogeneous soldering point which is largely free of voids.
  • the adhesive dots - in contrast to AT 515071 A1 - are not used for the absolute fixation of the SMD component, but rather to limit the position or the mobility of the component within a horizontal plane.
  • the invention also makes use of the knowledge that the presence of plated-through holes (in particular the presence of asymmetrically arranged plated-through holes in relation to the contact surface to be soldered), which cannot be wetted with solder, greatly favors the disadvantageous blurring of SMD components during the soldering process or the extent of the blurring increases significantly. In some situations, a slight swim-in is tolerable, but a larger amount of blurring is problematic.
  • the terms “floating” and “blurring” are understood as follows:
  • the term “floating” is understood as the movement of the component on the liquid solder within a non-critical area, ie to an extent that does not impair the functionality of the soldered connection the deviation from the target position is small enough not to trigger a (pseudo) error in a downstream AOI (automated optical inspection)
  • the soldered connection is impaired and / or the deviation from the target position is so great that (pseudo) errors are detected in a possible AOI. Since the setting of adhesive dots as a limitation is associated with a technical and economic effort, the adhesive dots should therefore only be used where their use is economically justified is.
  • Vias of type 5 in particular come into consideration as plated-through holes (also called vias), in which the plated-through hole is formed by a copper sleeve embedded in the carrier plate, which is filled with resin, for example.
  • the heat conduction takes place essentially via the copper sleeve. Due to the filling, no solder can penetrate into the via or the via cannot be wetted, which is why forces can act on the component during the soldering process which promote blurring. This is particularly true in the case of an asymmetrical arrangement of the vias in relation to the component to be soldered.
  • step f can also be provided, which includes cooling and removing the assembled circuit carrier.
  • the expression “SMD component” is understood to mean any component that is attached to the surface of the circuit carrier - ie does not use any “through hole” technology.
  • the SMD components can also be electrically connected to the circuit board by top contact bonding, for example .
  • At least one adhesive point is provided for the formation of the barrier. This can be sufficient in situations in which, for example, it can be determined that the components only rotate or drift in one direction. An adhesive point that works in the opposite direction to the direction of rotation or drift of the component is sufficient here. Component pins can take care of the rest of the positioning. Of course, two or more adhesive points can also be provided. The number of glue dots can be chosen freely. All of the features that are mentioned in the present invention with regard to “the at least one adhesive point” can also be applied to two or more adhesive points, unless otherwise stated.
  • the plated-through holes can be type 5 vias or type V vias, for example. These are very often explicitly contained in the area of the circuit board pad in order to minimize the thermal resistance.
  • the presence of vias arranged asymmetrically with respect to the carrier plate contact surface favors the blurring, which is why the provision of barriers in the case of the The presence of such asymmetrically arranged vias has proven to be particularly favorable.
  • the carrier plate contact surface coated with solder paste in step a) is surrounded by a solder mask, the at least one adhesive point being arranged on the solder mask and / or on a section of the carrier plate contact surface that is not coated with solder paste.
  • the adhesive can be designed to adhere particularly well to the solder resist layer. This also prevents the adhesive from coming into contact with the item to be soldered.
  • the adhesive point can also be applied to the pad (i.e. the circuit board contact surface) by itself or to the pad and / or the solder resist layer of the circuit board at the same time. Overlapping with the soldering paste on the pad may also be tolerable, although this is not desirable.
  • the height of the at least one adhesive point is at least 40%, preferably at least 60%, particularly preferably at least 100% of the height of a solder paste deposit formed by the solder paste in the unmelted state, the barrier being formed exclusively by the at least one adhesive point itself will.
  • the height of the adhesive dots is advantageously chosen so that the component to be secured hits against the adhesive dot in the event of a blurring. It can be taken into account here that the solder loses approx. 50% of its volume as a result of the soldering process.
  • the paste can be printed with a height of 120 pm, for example.
  • At least one adhesive point is designed in the shape of a spherical cap.
  • This shape can be determined on the one hand by the surface tension of the adhesive used and also by the method used.
  • so-called “jet dispensers” can be used.
  • Such a “jet dispenser” emits adhesive dots which, due to the deformation of the jetted adhesive “particle” when hitting the circuit board, usually have a shape similar to a spherical cap
  • these individual points to create a different geometry, for example so-called adhesive beads, but there are also so-called volumetric ones Dispensers that continuously secrete the glue. These can be used to create lines or similar geometric shapes from glue.
  • At least one first adhesive point is extended linearly to form a linear barrier. This includes both adhesive beads and adhesive lines.
  • At least one second adhesive point is provided, which preferably contacts the first adhesive point, wherein the second adhesive point is designed in a line shape in such a way that, together with the first adhesive point, an essentially L- or U-shaped component, the SMD component at least partially enclosing contour is formed. In this way, the blurring of the components to be fastened in a further direction can be largely prevented.
  • the height of the at least one adhesive point is at least 50 micrometers, preferably at least 100 micrometers.
  • step b) and before step d) at least one delimiting body is placed on the at least one adhesive point, and the barrier is formed with the aid of the delimiting body.
  • the use of delimitation bodies enables the barrier to be moved closer to the SMD component to be fastened.
  • the geometric shape of the delimitation body can also be specifically adapted to the shape of the SMD component.
  • the delimitation body can, for example, be U-shaped or L-shaped or also have a straight shape. Molds made of polymers or plastic or else ceramics and metals can be used. Using a mold made of polymer or ceramic has economic advantages.
  • the melting temperature of the delimiting body material used should be above the maximum temperature of the soldering process and the surface must be designed in such a way that the adhesive adheres.
  • the at least one adhesive point consists of thermosetting material and the curing of the at least one adhesive point according to step d) takes place by increasing the temperature of the circuit carrier together with the at least one adhesive point, this being done, for example, in the course of a reflow soldering process, wherein the temperature required for heat curing is below the melting temperature of the solder material.
  • the adhesive material is selected in such a way that the adhesive volume decreases by a maximum of 10% during curing.
  • the adhesive material is designed to be thermosetting and is selected in such a way that it expands with the supply of heat during the curing according to step d).
  • One advantage of an expanding material is that, in contrast to the spherical cap, the height does not increase continuously with a low gradient, but has the shape of a steeper boundary, which makes it difficult for a component to slide up.
  • other adhesives could also be used.
  • a paste-like, dispensable adhesive material can be used which has the following properties: heat resistance, increase in volume when heat is applied, adheres to the solder mask and cures as far as possible before the solder has reached its melting temperature.
  • a polyurethane-based foam or silicone could also be used here.
  • the dispensed point made of such a material expands when it is heated and thus forms a barrier that also widens to the side and upwards, making it much more difficult for the component to overcome this form of barrier than an adhesive point, which usually has a largely continuous increase up to the maximum height.
  • the at least one adhesive point is applied by means of a dispenser and the SMD component is applied by means of an automatic placement machine, the at least one adhesive point being positioned in step b) in such a way that it is at least a safety distance to the edge area of the target position of the SMD- Has component, this safety distance is formed from the sum of the positioning tolerances of the dispenser and the automatic placement machine, the size tolerance of the at least one adhesive point and the component tolerance of the SMD component and is, for example, at least 50 micrometers.
  • the safety distance between the adhesive point and an SMD component is at least 50 micrometers and, for example, a maximum of 300 micrometers.
  • the SMD component has a rectangular base area and the at least one adhesive point is positioned so that the at least one adhesive point is in the immediate vicinity of one side of the after assembly with the SMD component while maintaining the safety distance in step b) rectangular base.
  • the expression "in close proximity to one side” means that only the minimum distance, for example 50 micrometers, is provided.
  • the distance in relation to a corner of a rectangular base area could also be selected.
  • the number of adhesive dots can be selected such that Each side and / or corner of the SMD component is assigned exactly one adhesive point. This limits the component from becoming blurred in all directions be rounded or component pins extend beyond this base area (this applies, for example, to an LFPAK / SOT669 design).
  • the invention further relates to a circuit carrier produced according to the method according to the invention. Furthermore, the invention can also relate to a motor vehicle headlight comprising a circuit carrier according to the invention.
  • Certain SMT designs such as Powerfiat 5x6 or LFPAK / SOT669, but also TO-277A, have individual small component pins (or connection pins; e.g. N-channel MOSFET: gate and source) on one side, while the majority of the underside of the package consists mostly of a large one continuous thermal pad (e.g. N-channel MOSFET: drain).
  • the components are typically placed very precisely on the solder paste depots ( ⁇ 50pm accuracy), but due to factors such as suboptimal footprint dimensions, via technology or finish, these components may become blurred with the thermal pad during the reflow process, i.e. the overlap between Component pads and circuit board pads are no longer ideal. This often leads to incorrect detection (this is referred to as pseudo-errors.
  • the component is (mostly) functional, but the position deviation is greater than permitted for the AOI) in the automatic optical circuit board inspection (AOI), as the component exceeds the permitted tolerance deviates from its position, but also in the worst case to poorly formed soldering points.
  • a simple solution which has basically been the industry standard for a long time, would be to glue it with SMT glue, for example at 2 or 4 points along the edge of the housing, so that the component does not reflow blurred.
  • Direct gluing of the component works as follows: The paste depots are printed, then the glue dots are applied next to the paste depots in such a way that when the component is subsequently placed, its edges, for example, come to rest in the adhesive.
  • the adhesive When the assembled assembly then moves into the reflow oven, the adhesive will harden first, usually long before the solder paste melts. This keeps the component in its very precise placement position and can no longer blur on the liquid solder.
  • the disadvantage of this already known method is the amount of solder required for the resulting solder gap: When a small component is placed on the paste (with a usual force of 2-6N), it is lightly pressed into the paste depot and lies, for example, at a height of 50-10Opm; with larger components like here, the paste is correspondingly less compressed and the component lies at a height in the range of the stencil thickness (100pm-150pm). During reflow, the solder paste melts and loses approx.
  • the invention now represents a departure from the adhesive fixing of the SMD components, and makes it possible to create barriers on the circuit board that prevent certain components placed therein or next to it from becoming blurred during the soldering process. Furthermore, when the adhesive is applied, the components should not come into contact with it, i.e. they should also form a soldering gap, as if they were not glued. In contrast to the state of the art, the blurring of components during the soldering process is not prevented by direct gluing, but by the fact that position and shape-stable adhesive dots or elements fitted on them act as a blurring barrier just next to the component during the reflow. The following sequence can arise during the SMT manufacturing process:
  • Variant A The adhesive dots themselves later form the barrier; This completes the assembly process o Variant B: In this step, an extra barrier element is assembled next to the component on the adhesive point
  • Adhesive dots harden quickly in the reflow oven and stay in place, only then does the solder begin to melt under the component
  • the component begins to float on the liquid solder, but blurring is prevented (as far as possible) by the already hard adhesive point (Var. A) or the barrier element (Var. B) fixed by means of adhesive.
  • the method in question can reduce the blurring to an acceptable level (for example 100-200pm).
  • FIG. 1 a is a schematic representation of a section of a circuit carrier with an SMD component to be fastened thereon according to the prior art
  • FIG. 1b shows a blurred, attached SMD component according to FIG. 1 a
  • Figure 2a shows a Thomasdarstellimg of an embodiment according to the invention in the unsoldered state
  • FIG. 2b shows the sectional view according to FIG. 2a in the soldered state
  • FIG. 2c shows a detail of FIG. 2b
  • FIG. 2d shows a further detail from FIG. 2b, in which it can be seen that the SMD component strikes a barrier and is held in its position by this
  • FIGS. 3a to 3d show different variants of adhesive point configurations according to the invention.
  • FIGS. 4a to 4c show different variants of delimiting body configurations according to the invention.
  • FIG. 1 a shows a schematic representation of a section of a circuit carrier 2 with an SMD component 1 to be fastened thereon according to the prior art.
  • the component 1 is blurred during the soldering process on a soldering depot 3 (not shown in the figure) and is firmly soldered in this blurred end position.
  • Figure 2a shows a Thomasdarstellimg an embodiment according to the invention in the unsoldered state. This shows an arrangement on which the method according to the invention is carried out.
  • the invention relates to a method for positionally stable soldering of an SMD component 1 to a circuit carrier 2 and, in the exemplary embodiment shown, comprises the following steps a) to e): a) Provision of a circuit carrier 2 comprising at least one carrier plate contact surface 2a coated with solder paste 3, which is set up for electrical, thermal and / or mechanical contacting of the SMD component 1 to be connected.
  • the circuit carrier 2 is interspersed with a number of filled vias 6 that cannot be wetted with molten solder material, at least in the region of the carrier plate contact surface 2a.
  • This number is basically variable and not limited to a specific value.
  • An edge point is understood to mean a point which is assigned to one side of the soldering paste 3 or to a side of the SMD component 1 lying above it.
  • the expression “limit” is understood to mean “limit”. This does not mean that the edge point is contacted by the adhesive point 4a or 4b during the application. On the contrary - a minimum distance is provided in relation to the SMD component 1, as will be mentioned later.
  • limit refers to the limitation of a blurring process of the SMD component 1 and the edge points, in particular Ra and Rb, each denote a point on exposed edges or projections of the component 1, which, for example, when a blurring occurs before a barrier 5 or an adhesive point 4a or 4b.
  • step b) placing an SMD component 1 comprising at least one component contact surface la on the carrier plate contact surface 2a coated with solder paste 3 in such a way that the at least one component contact surface la electrically contacts the carrier plate contact surface 2a via the solder paste 3 in between,
  • the placement takes place in such a way and the position of the adhesive dots 4a and 4b in step b) is selected such that the SMD component 1 rests on the solder paste 3 without contact with the adhesive dots 4a and 4b.
  • a barrier 5 is formed in such a way that firstly a vertical lowering of the SMD component is enabled in the melted state of the solder paste 3, and secondly a horizontal blurring of the SMD component on the melted solder paste 3 is mechanically limited in the direction of the barrier 5 by the barrier 5.
  • the barrier 5 is formed jointly by the two adhesive points 4a and 4b.
  • Fig. 2c shows a detail of Fig. 2b. This shows how the mm solidified solder 3 has changed in its distribution due to the influence of the plated through hole 6:
  • This "retraction" causes mechanical forces on the SMD component 1, which promote blurring of the component 1. The blurring does not always occur - in the present case, however, the component 1 has not remained in its position.
  • FIG. 2d shows a scenario , in which the component 1 hits the barrier 5 and is held in its position by this.
  • the carrier plate contact surface 2a coated with solder paste 3 in step a) is surrounded by a solder resist layer 8, the two adhesive points 4a and 4b being arranged on the solder resist layer 8.
  • the adhesive dots do not necessarily have to be placed on the circuit board layer, but can, for example, also be located on the carrier plate contact surface 2a of the circuit board.
  • the height hi (see FIG. 2a) of the adhesive dots 4a, 4b, 4c, 4d, 4e is at least 40%, preferably at least 60%, particularly preferably at least 100% of the height h2 (see FIG. 2a) of one formed by the solder paste 3 Solder paste depots 3a in the melted state, the barrier 5 being formed exclusively by the adhesive dots 4a and 4b themselves.
  • the adhesive points 4a and 4b are designed in the shape of a spherical cap.
  • FIG. 3a to 3d show representations of different variants
  • FIG. 3 a the use of a single adhesive point 4 a is shown, which is positioned on one side of the SMD component 1.
  • 3b shows a variant in which the adhesive points 4a and 4b are each positioned at a corner of the SMD component 1.
  • 3c shows a variant in which, in addition to the corner adhesive points 4a and 4b, an adhesive point 4c arranged on the side is also provided.
  • 3d shows the use of five successively arranged adhesive dots 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, which are jointly expanded in a linear manner to form a linear barrier 5 ("adhesive bead").
  • numerous other configurations are also conceivable.
  • At least one second adhesive point is provided, which preferably contacts the first adhesive point, wherein the second adhesive point is formed linearly in such a way that, together with the first adhesive point, a substantially L- or U-shaped contour at least partially enclosing the SMD component 1 is formed will.
  • Figures 4a to 4c show different variants of limiting body configurations according to the invention. Accordingly, after step b) and before step d), at least one delimiting body 7 is placed on the at least one adhesive point 4a (not shown in the figures).
  • the barrier 5 is formed with the aid of the delimiting body 7.
  • the delimitation body can be U-shaped (FIG. 4c) or L-shaped (FIG. 4b) or also have a straight shape (FIG. 4a). Several delimitation bodies 7 can also be used.
  • the adhesive dots are preferably made of thermosetting material.
  • the heat setting temperature is below the melting temperature of the item to be soldered.
  • FIGS. 3a to 4c it can be seen that the SMD component 1 each has a rectangular base area 1c (reference numbers see FIGS. 3a and 4a). From Fig. 3a it emerges that the adhesive point 4a is positioned in such a way that, after being fitted with the SMD component 1, while maintaining the safety distance s in step b), it is in the immediate vicinity of one side of the rectangular base area lc.
  • the invention is not restricted to the embodiments shown, but rather is defined by the entire scope of protection of the claims. Individual aspects of the invention or the embodiments can also be taken up and combined with one another. Any reference signs in the claims are exemplary and only serve to make the claims easier to read, without restricting them.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum positionsstabilen Verlöten eines SMD-Bauteils (1) mit einem Schaltungsträger (2), umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Schaltungsträgers (2) umfassend zumindest eine mit Lötpaste (3) beschichtete Trägerplattenkontaktfläche (2a), die zur elektrischen, thermischen und/oder mechanischen Kontaktierung von dem zu verbindenden SMD-Bauteil (1) eingerichtet ist, wobei der Schaltungsträger (2) zumindest im Bereich der Trägerplattenkontaktfläche (2a) mit einer Anzahl an nicht mit geschmolzenem Lotgut benetzbaren gefüllten Durchkontaktierungen (6) durchsetzt ist, b) Aufbringen von zumindest einem Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) an dem Schaltungsträger (2) dergestalt, dass dieser Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) die mit Lötpaste (3) beschichtete Trägerplattenkontaktfläche (2a) an zumindest einer Seite der Lötpaste (3) zugeordneten Randpunkt (Ra, Rb) begrenzt, c) Aufsetzen eines zumindest eine Bauteilkontaktfläche (1a) umfassenden SMD-Bauteils (1) auf die mit Lötpaste (3) beschichtete Trägerplattenkontaktfläche (2a) dergestalt, dass die zumindest eine Bauteilkontaktfläche (1a) die Trägerplattenkontaktfläche (2a) über die dazwischenliegende Lötpaste (3) elektrisch, thermisch und/oder mechanisch kontaktiert, wobei das Aufsetzen dergestalt erfolgt und die Position des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) in Schritt b) dergestalt gewählt ist, dass das SMD-Bauteil (1) berührungsfrei mit dem zumindest einen Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) auf der Lötpaste (3) ruht, d) Abwarten eines Aushärtevorgangs des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) für eine vorgebbare Zeitdauer t, e) Erhitzen, Schmelzen und nachfolgendes Abkühlen der Lötpaste (3) zum Herstellen einer elektrischen, thermischen und/oder mechanischen Verbindung zwischen der zumindest einen Bauteilkontaktfläche (1a) des SMD-Bauteils (1) und der zumindest einen Trägerplattenkontaktfläche (2a) des Schaltungsträgers (2), wobei mit Hilfe des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) eine Barriere (5) dergestalt ausgebildet ist, dass zum Ersten ein vertikales Absinken des SMD-Bauteils im geschmolzenen Zustand der Lötpaste (3) ermöglicht ist, und zum Zweiten ein horizontales Verschwimmen des SMD-Bauteils auf der geschmolzenen Lötpaste (3) in Richtung der Barriere (5) durch die Barriere (5) mechanisch begrenzt wird.

Description

BARRIERE GEGEN VERSCHWIMMEN VON SMT-BAUTEILEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum positionsstabilen Verlöten eines SMD-Bauteils mit einem Schaltungsträger.
Weiters betrifft die Erfindimg einen Schaltungsträger her gestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ferner kann die Erfindimg ebenso einen Kraftfahrzeugscheinwerfer und/ oder ein Steuergerät umfassend einen erfindungs gemäßen Schaltungsträger betreffen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren bekannt geworden, die das positionsstabile Verlöten von SMD-Bauteilen ermöglichen sollen. Beispielsweise ist aus der AT 515071 Al ein Verfahren bekannt geworden, in dem ein zu verlötendes elektronisches Bauteil mittels Klebepunkten an einem Schaltungsträger fixiert wird, wobei die Klebepunkte gehärtet werden, bevor ein Lötvorgang gestartet wird, um auf diese Weise ein Verschwimmen der Bauteile zu verhindern.
Grundsätzlich ist bekannt, dass sich das Volumen von Lötgut während des Lötvorganges durch Ausgasen von Flussmitteln reduziert. Diese Reduktion kann beispielsweise bis zu 50 % betragen. Wird ein elektronisches Bauteil daher in seiner Position festgeklebt, so muss sichergestellt werden, dass ein ausreichender Überschuss an Lötgut vorhanden ist, um trotz Schrumpfung des Lötguts sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge an Lötgut an der Lötstelle vorhanden ist. Wird wie in der AT 515071 Al das zu lötende Bauteil bereits vor dem Lötvorgang in seiner Posiüon fixiert, so wird die Abnahme des Volumens des Lötgutes durch „Überdrucken" kompensiert. Darunter versteht man das Anbringen von überschüssigem Lötgut in Bereichen, die über die eigentliche Kontaktstelle hinausgehen, um zu ermöglichen, dass dieses überschüssige Lötgut bei dem Schmelzvorgang der eigentlichen Kontaktstelle zufließt. Anderenfalls könnte eine Lötverbindung mangelhaft sein, in dem größere Lufteinschlüsse vorhanden sind, oder mangels Lötmaterials eine vollflächige durchgängige Kontaktierung nicht möglich sein.
Es gibt allerdings Situationen, in denen ein solches Überdrucken nicht möglich ist, beispielsweise weil benachbarte Bauteile dieses Überdrucken verunmöglichen, oder weil bereits die Lötgutdepots auf einem Leiterplattenlayout fest vorgegeben sind und ein bestehendes Leiterplattenlayout nun lediglich mit einem anders dimensionierten elektronischen Bauteil bestückt werden soll, ohne dass Änderungen an dem Schaltungsträger oder den Lötgutdepots vorgenommen werden sollen. Gleichzeitig soll eine möglichst wirtschaftliche Herstellbarkeit gewährleistet bleiben.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zu schaffen, welches eine Lösung zu der oben genannten Problematik liefert. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren eingangs genannter Art gelöst, indem erfindungsgemäß die folgenden Schritte vorgesehen sind: a) Bereitstellen eines Schaltungsträgers umfassend zumindest eine mit Lötpaste beschichtete Trägerplattenkontaktfläche, die zur elektrischen, thermischen und/ oder mechanischen Kontaktierung von dem zu verbindenden SMD-Bauteil eingerichtet ist, wobei der Schaltungsträger zumindest im Bereich der Träger plattenkontaktfläche mit einer Anzahl an nicht mit geschmolzenem Lotgut benetzbaren gefüllten Durchkontaktierungen (es kann sich dabei z.B. um elektrisches Isoliermaterial wie beispielsweise um Resin, also Epoxy, handeln, alternativ dazu sind aber auch elektrisch leitfähige Werkstoffe oder Kombinationen davon einsetzbar, wie z.B. ein mit Metallpartikeln gefülltes Epoxy mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit, auch ist der Einsatz von mit Keramik gefüllten Epoxy denkbar) durchsetzt ist, b) Aufbringen von zumindest einem Klebepunkt an dem Schaltungsträger dergestalt, dass dieser Klebepunkt die mit Lötpaste beschichtete Trägerplattenkontaktfläche an einem zumindest einer Seite der Lötpaste zugeordneten Randpunkt begrenzt, c) Aufsetzen eines zumindest eine Bauteilkontaktfläche umfassenden SMD-Bauteils auf die mit Lötpaste beschichtete Trägerplattenkontaktfläche dergestalt, dass die zumindest eine Bauteilkontaktfläche die Trägerplattenkontaktfläche über die dazwischenliegende Lötpaste elektrisch, thermisch und/ oder mechanisch kontaktiert, wobei das Aufsetzen dergestalt erfolgt und die Position des zumindest einen Klebepunkts in Schritt b) dergestalt gewählt ist, dass das SMD-Bauteil berührungsfrei mit dem zumindest einen Klebepunkt auf der Lötpaste ruht, d) Abwarten eines Aushärtevorgangs des zumindest einen Klebepunkts für eine vorgebbare Zeitdauer t, gegebenenfalls bei einer vorgebbaren Temperatur T, e) Erhitzen, Schmelzen und nachfolgendes Abkühlen der Lötpaste zum Herstellen einer elektrischen, thermischen und/ oder mechanischen Verbindung zwischen der zumindest einen Bauteilkontaktfläche des SMD-Bauteils und der zumindest einen Tr ägerplattenkontaktf lache des Schaltungsträgers, wobei mit Hilfe des zumindest einen Klebepunkts eine Barriere dergestalt ausgebildet ist, dass zum Ersten ein vertikales Absinken des SMD-Bauteils im geschmolzenen Zustand der Lötpaste ermöglicht ist, und zum Zweiten ein horizontales Verschwimmen des SMD-Bauteils auf der geschmolzenen Lötpaste in Richtung der Barriere durch die Barriere mechanisch begrenzt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Position des SMD-Bauteils in einer horizontalen Ebene einerseits dauerhaft festzulegen und ein Verschwimmen des Bauteils zu verhindern, und gleichzeitig ein Absinken des Bauteils in Bezug auf den Schaltungsträger zu ermöglichen, und so eine homogene Lötstelle zu ermöglichen, die weitestgehend frei von Voids ist. Bei der vorliegenden Erfindung werden die Klebepunkte - im Gegensatz zur AT 515071 Al - nicht zur absoluten Lixierung des SMD-Bauteils, sondern zur Begrenzung der Position bzw. der Beweglichkeit des Bauteils innerhalb einer horizontalen Ebene eingesetzt. Die Erfindung macht sich zudem die Erkenntnis zu Nutze, dass das Vorhandensein von Durchkontaktierungen (insbesondere das Vorhandensein asymmetrisch angeordneter Durchkontaktierungen in Bezug auf die zu verlötende Kontaktfläche), die mit Lötgut nicht benetzbar sind, das nachteilige Verschwimmen von SMD-Bauteilen während des Lötvorganges stark begünstigt bzw. das Ausmaß des Verschwimmens deutlich erhöht. In einigen Situationen ist zwar ein geringfügiges Einschwimmen tolerierbar, ein Verschwimmen in größerem Ausmaß allerdings problematisch. In diesem Dokument werden die Begriffe „Einschwimmen" und „Verschwimmen" wie folgt verstanden: Der Ausdruck „Einschwimmen" wird als Bewegung des Bauteils auf dem flüssigen Lot innerhalb eines unkritischen Bereichs aufgefasst, d.h. in einem Ausmaß, dass die Funktionalität der Lötverbindung nicht beeinträchtig und die Abweichung von der Sollposition klein genug ist, um keinen (Pseudo-)Fehler bei einer nachgelagerten AOI (automated optical inspection) auszulösen. Der Begriff „Verschwimmen" wird als eine Schwimmbewegung aufgefasst, die ein problematisches Ausmaß aufweist, sodass es z.B. zu einer möglichen Beeinträchtigung der Lötverbindung kommt und/ oder die Abweichung von der Sollposition so groß ist, dass (Pseudo-)Fehler bei einer etwaigen AOI detektiert werden. Da das Setzen von Klebepunkten als Begrenzung mit einem technischen und ökonomischen Aufwand verbunden ist, sollen die Klebepunkte daher nur dort eingesetzt werden, wo deren Einsatz wirtschaftlich gerechtfertigt ist. Deshalb werden die Klebepunkte gezielt bei einem Bauteil eingesetzt, das von solchen Durchkontaktierungen betroffen ist. Als Durchkontaktierungen (auch Vias genannt) kommen dabei insbesondere Vias vom Typ 5 in Frage, bei der die Durchkontaktierung durch eine in der Trägerplatte eingebettete Kupferhülse ausgebildet ist, die beispielsweise mit Resin verfüllt wird. Die Wärmeleitung erfolgt dabei im Wesentlichen über die Kupferhülse. Aufgrund der Füllung kann kein Lot in das Via eindringen bzw. das Via kann nicht benetzt werden, weshalb während des Lötvorganges Kräfte auf das Bauteil wirken können, die ein Verschwimmen begünstigen. Dies trifft insbesondere bei asymmetrischer Anordnung der Vias in Bezug auf das zu verlötende Bauteil zu.
Der Ausdruck „horizontal" bedeutet dabei eine Orientierung, die parallel in Bezug auf ein durch die Trägerplattenkontaktfläche ausgebildete Ebene ausgebildet ist. Nach dem Schritt e) kann auch noch ein Schritt f) vorgesehen sein, der das Abkühlen und die Entnahme des bestückten Schaltungsträgers umfasst. Unter dem Ausdruck „SMD-Bauteil" wird jedes Bauteil verstanden, dass an der Oberfläche des Schaltungsträgers befestigt ist - d.h. keine „through hole" -Technologie anwendet. Die SMD-Bauteile können z.B. auch durch Top-Contact Bonding mit der Leiterplatte elektrisch verbunden sein.
Grundsätzlich ist zumindest ein Klebepunkt für die Ausbildung der Barriere vorgesehen. Dieser kann in Situationen ausreichen, in denen man z.B. feststellen kann, dass die Bauteile nur in eine Richtung rotieren oder driften. Hier genügt ein Klebepunkt, der entgegengesetzt zur Rotaüons- bzw. Driftrichtung des Bauteils wirkt. Für die restliche Positionierung können gegebenenfalls Bauteilpins sorgen. Natürlich können aber auch zwei oder mehr Klebepunkte vorgesehen sein. Die Anzahl der Klebepunkte kann frei gewählt werden. Sämtliche Merkmale, die in der vorliegenden Erfindung in Hinblick auf „den zumindest einen Klebepunkt" erwähnt sind, können - sofern nicht anders angegeben - ebenso auf zwei oder mehr Klebepunkte angewendet werden.
Bei den Durchkontaktierungen kann es sich z.B. um Typ 5 Vias bzw. Typ V-Vias handeln. Diese sind sehr häufig explizit im Bereich des Leiterplatten-Pads enthalten um den thermischen Widerstand zu minimieren. Insbesondere das Vorhandensein von in Bezug auf die Trägerplattenkontaktfläche asymmetrisch angeordneten Durchkontaktierungen begünstigt das Verschwimmen, weshalb sich das Vorsehen von Barrieren im Falle des Vorliegens solcher asymmetrisch angeordneten Durchkontaktierungen als besonders günstig erwiesen hat.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die in Schritt a) mit Lötpaste beschichtete Tr ägerplattenkontaktf lache mit einer Lötstopplackschicht umgeben ist, wobei der zumindest eine Klebepunkt auf der Lötstopplackschicht und/ oder auf einem nicht mit Lötpaste beschichteten Abschnitt der Trägerplattenkontaktfläche angeordnet ist. Der Kleber kann dazu eingerichtet sein, besonders gut auf der Lötstopplackschicht zu haften. Zudem ist auf diese Weise verhindert, dass der Kleber mit Lötgut in Kontakt kommt. Alternativ dazu kann - wie erwähnt - der Klebepunkt auch auf dem Pad (d.h. der Leiterplattenkontaktfläche) für sich genommen oder auf dem Pad und/ oder der Lötstopplackschicht der Leiterplatte gleichzeitig angebracht werden. Auch eine Überlappung mit der Lötpaste auf dem Pad ist dabei - wenn auch nicht wünschenswert - unter Umständen tolerierbar.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Höhe des zumindest einen Klebepunkts zumindest 40%, vorzugsweise zumindest 60%, besonders bevorzugt zumindest 100% der Höhe eines durch die Lötpaste ausgebildeten Lötpastendepots im ungeschmolzenen Zustand beträgt, wobei die Barriere ausschließlich durch den zumindest einen Klebepunkt selbst ausgebildet wird. Auf diese Weise kann eine Begrenzung bereits durch die Klebepunkte selbst geschaffen werden, ohne dass zusätzliche Bauteile hierfür erforderlich sind. Die Höhe der Klebepunkte ist aber günstiger Weise so gewählt, dass das zu sichernde Bauteil im Falle eines Verschwimmens gegen den Klebepunkt stößt. Dabei kann berücksichtigt werden, dass durch den Lötprozess das Lot ca. 50% seines Volumens verliert. Bei Chip-Bauteilen, z.B. Ohm' sehen Widerständen, kann die Paste zum Beispiel mit einer Höhe von 120 pm gedruckt werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Klebepunkt kugelkalottenförmig ausgebildet ist. Diese Form kann einerseits durch die Oberflächenspannung des eingesetzten Klebers sowie auch durch das angewendete Verfahren bestimmt sein. Beispielsweise können sogenannte „Jet-Dispenser" verwendet werden. Ein solcher „Jet-Dispenser" gibt Klebepunkte ab, die durch Deformation des gejetteten Kleber-,, Partikels" beim Auftreffen auf die Leiterplatte meist eine Form ähnlich einer Kugelkalotte aufweisen. Unter der Verwendung dieses Verfahrens ist es auch möglich, mittels dieser einzelnen Punkte eine andere Geometrie zu erzeugen, z.B. sogenannte Kleberaupen. Es gibt allerdings auch sog. volumetrische Dispenser, welche den Kleber kontinuierlich absondern. Diese können zum Erzeugen von Linien oder ähnlichen geometrischen Formen aus Kleber verwendet werden.
Weiters kann vorgesehen sein, dass zumindest ein erster Klebepunkt linienförmig zur Ausbildung einer linienförmigen Barriere erweitert ist. Damit sind sowohl Kleberaupen als auch Klebelinien inkludiert.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zumindest ein zweiter Klebepunkt vorgesehen ist, der vorzugsweise den ersten Klebepunkt kontaktiert, wobei der zweite Klebepunkt linienförmig dergestalt ausgebildet ist, dass gemeinsam mit dem ersten Klebepunkt eine im Wesentlichen L- oder U-förmige, das SMD-Bauteil zumindest teilweise umschließende Kontur ausgebildet wird. Auf diese Weise kann das Verschwimmen der zu befestigenden Bauteile in eine weitere Richtung weitestgehend verhindert werden.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Höhe des zumindest einen Klebepunkts zumindest 50 Mikrometer, vorzugsweise zumindest 100 Mikrometer, beträgt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass nach Schritt b) und vor Schritt d) zumindest ein Begrenzungskörper auf den zumindest einen Klebepunkt aufgesetzt wird, und die Barriere mit Hilfe des Begrenzungskörpers ausgebildet wird. Die Verwendung von Begrenzungskörpern ermöglicht ein näheres Heranrücken der Barriere an das zu befestigende SMD-Bauteil. Auch kann die geometrische Form des Begrenzungskörpers gezielt an die Form des SMD-Bauteils angepasst werden. Der Begrenzungskörper kann beispielsweise U-Förmig oder L-Förmig sein oder auch eine gerade Form haben. Es können dabei Formen aus Polymeren bzw. Kunststoff oder auch Keramik sowie Metalle verwendet werden. Der Einsatz einer Form bestehend aus Polymer oder Keramik hat wirtschaftliche Vorteile. Die Schmelztemperatur des eingesetzten Begrenzungskörpermaterials sollte oberhalb der maximalen Temperatur des Lötvor ganges liegen und die Oberfläche muss derart gestaltet sein, dass der Kleber haften bleibt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Klebepunkt aus wärmehärtenden Material besteht und das Aushärten des zumindest einen Klebepunktes gemäß Schritt d) durch Temperaturerhöhung des Schaltungsträgers mitsamt des zumindest einen Klebepunktes erfolgt, wobei dies beispielsweise im Zuge eines Reflow- Lötvorganges erfolgt, wobei die für die Wärmehärtung erforderliche Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Lötmaterials liegt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Klebematerial dergestalt gewählt ist, dass das Klebervolumen während der Aushärtung um maximal 10% abnimmt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass das Klebematerial wärmehärtend ausgebildet ist und dergestalt gewählt ist, dass sich dieses unter Zufuhr von Wärme während des Aushärtens gemäß Schritt d) ausdehnt. Ein Vorteil bei einem sich ausdehnenden Material besteht darin, dass im Gegensatz zur Kugelkalotte die Höhe nicht mit niedriger Steigung kontinuierlich zunimmt, sondern die Form einer steileren Begrenzung aufweist, die ein Heraufrutschen eines Bauteils erschwert. Neben flüssigen Klebstoffen könnten auch andere Klebstoffe eingesetzt werden. Z.B. kann ein pastöses, dispensierbares Klebematerial verwendet werden, das folgende Eigenschaften aufweist: Hitzebeständigkeit, Zunahme des Volumens unter Wärmezufuhr, haftet auf dem Lötstopplack und härtet weitestgehend aus, bevor die Schmelztemperatur des Lots erreicht ist. Hier könnte z.B.: auch ein Schaum auf Polyurethanbasis oder Silikon verwendet werden. Die Idee dabei ist, dass sich der dispensierte Punkt aus so einem Material beim Aufheizen ausdehnt und somit eine Barriere bildet, die sich auch seitlich sowie nach oben hin verbreitert, wodurch das Bauteil diese Form der Barriere wesentlich schwieriger überwinden kann, als einen Klebepunkt, welcher üblicherweise bis zur maximalen Höhe einen weitestgehend kontinuierlichen Anstieg aufweist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Klebepunkt mittels eines Dispensers und das SMD-Bauteil mittels eines Bestückungsautomaten aufgebracht werden, wobei der zumindest eine Klebepunkt in Schritt b) dergestalt positioniert wird, dass dieser zumindest einen Sicherheitsabstand zu dem Randbereich der Sollposition des SMD-Bauteils aufweist, wobei dieser Sicherheitsabstand aus der Summe der Positionierungstoleranzen des Dispensers und des Bestückungsautomaten, der Größentoleranz des zumindest einen Klebepunkts sowie der Bauteiltoleranz des SMD-Bauteils gebildet wird und beispielsweise mindestens 50 Mikrometer beträgt. Derzeit beträgt der Sicherheitsabstand des Klebepunktes zu einem SMD-Bauteil mindestens 50 Mikrometer, und z.B. max. 300 Mikrometer. Wie erwähnt, sollten Bauteiltoleranzen mitberücksichtigt werden, d.h. nicht jedes Bauteil ist gleich groß. Z.B. können +/- 0,1 mm Unterschied der Bauteilgröße zu den Herstellerangaben möglich sein. Weiters kann vorgesehen sein, dass das SMD-Bauteil eine rechteckige Grundfläche aufweist und der zumindest eine Klebepunkt so positioniert wird, dass der zumindest eine Klebepunkt nach Bestückung mit dem SMD-Bauteil unter Einhaltung des Sicherheitsabstandes in Schritt b) in immittelbarer Nähe zu einer Seite der rechteckigen Grundfläche liegt. Der Ausdruck „in unmittelbarer Nähe zu einer Seite" bedeutet dabei, dass lediglich der Mindestabstand, z.B. 50 Mikrometer, vorgesehen ist. Auch könnte der Abstand in Bezug zu einer Ecke einer rechteckigen Grundfläche gewählt werden. Die Anzahl der Klebepunkte kann dergestalt gewählt werden, dass jeder Seite und/ oder Ecke des SMD-Bauteils genau ein Klebepunkt zugeordnet ist. Damit ist ein Verschwimmen des Bauteils in alle Richtungen begrenzt. Unter dem Ausdruck „rechteckige Grundfläche" ist dabei nicht zwingend eine exakt rechteckige Form zu verstehen - natürlich können Ecken abgeflacht oder abgerundet sein oder Bauteilpins über diese Grundfläche hinaus reichen (das trifft z.B. auf eine LFPAK/SOT669-Bauform zu).
Weiters betrifft die Erfindung einen Schaltungsträger her gestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ferner kann die Erfindung ebenso einen Kraftfahrzeugscheinwerfer umfassend einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger betreffen.
Anders ausgedrückt kann die Erfindung auch wie folgt beschreiben werden:
Bestimmte SMT Bauformen wie Powerfiat 5x6 oder LFPAK/SOT669, aber auch TO-277A, besitzen auf einer Seite einzelne kleine Bauteilpins (bzw. Anschlusspins; z.B. N-Kanal MOSFET: Gate und Source), während der Großteil der Packageunterseite aus einem großen, zumeist durchgehenden Thermal Pad besteht (Bsp. N-Kanal MOSFET: Drain). Die Bauteile werden typischerweise sehr präzise auf die Lotpastendepots bestückt (<50pm Genauigkeit), aber aufgrund Faktoren wie suboptimale Footprintabmessungen, Via-Technologie oder Finish kann es passieren, dass diese Bauteile mit dem Thermal Pad während des Reflowprozesses verschwimmen, d.h., dass die Überlappung zwischen Bauteilpads und Leiterplattenpads nicht mehr ideal gegeben ist. Das führt häufig zu Fehlerkennungen (hier spricht man von Pseudofehlern. Das Bauteil ist (meist) funktionstüchtig, aber die Abweichung der Position ist größer als für die AOI zulässig) bei der automatischen optischen Leiterplatteninspektion (AOI), da das Bauteil mehr als die erlaubte Toleranz von seiner Position abweicht, aber auch im schlimmsten Fall zu schlecht ausgebildeten Lötstellen. Eine einfache Lösung, die grundsätzlich schon lange Industriestandard ist, wäre das Ankleben mit SMT-Kleber, etwa an 2 oder 4 Punkten entlang der Gehäusekante, damit das Bauteil beim Reflow nicht verschwimmt. Direktes Ankleben des Bauteils funktioniert folgendermaßen: Es werden die Pastendepots gedruckt, dann werden die Klebepunkte so neben die Pastendepots aufgebracht, dass beim darauffolgenden Bestücken des Bauteils z.B. dessen Kanten im Kleber zu liegen kommen. Wenn anschließend die bestückte Baugruppe in den Reflow-Ofen einfährt, wird als Erstes der Kleber aushärten, üblicherweise lange bevor die Lotpaste schmilzt. Dadurch wird das Bauteil in seiner sehr genauen Bestückposition gehalten und kann nicht mehr auf dem flüssigen Lot verschwimmen. Der Nachteil dieser bereits bekannten Methode ist allerdings die erforderliche Lotmenge für den entstehenden Lotspalt: Wenn ein kleines Bauteil auf die Paste bestückt wird (mit einer üblichen Kraft von 2-6N), wird es leicht in das Pastendepot gedrückt und liegt z.B. in einer Höhe von 50-1 OOpm; bei größeren Bauteilen wie hier wird die Paste entsprechend weniger zusammengedrückt und das Bauteil liegt in einer Höhe im Bereich der Schablonendicke (100pm-150pm). Beim Reflow schmilzt die Lotpaste und verliert ca. 50% an Volumen, da nur der Zinnanteil in der Lötstelle verbleibt. Ohne Klebefixierung wird das Bauteil - wie bereits eingangs erwähnt - von der Ausgangshöhe nach unten sinken und es wird sich ein viel niedrigerer Lotspalt einstellen. Durch eine Klebefixierung des Bauteils müsste sich bei gleicher Pastenmenge die Verlötung reduzieren - z.B. in eine laterale Richtung. Das wurde bisher ausgeglichen, indem mehr Paste seitlich neben dem Pad gedruckt wird und das geschmolzene Lot beim Reflow über Einlaufschleusen unter das Bauteil einfließt (siehe z.B. EP 323 3345 Al). Pür Bauformen mit relativ großen mit Lötpaste beschichteten Trägerplattenkontaktflächen und damit auch Lotpastensegmentierung (notwendig für Ausgasen von Plussmittel beim Löten) war daher relativ viel seitlicher Überdruck notwendig. Alle diese Vorkehrungen mussten bereits beim Leiterplattendesign getroffen werden und konnten nicht mehr im späteren Verlauf des Produktlebenszyklus ohne aufwändigen Change- Prozess oder Neuvalidierung (z.B. wg. Änderung der Lotspalthöhe) durchgeführt werden.
Die Erfindung stellt nun eine Abkehr von der Klebefixierung der SMD-Bauteile dar, und ermöglicht es, Barrieren auf der Leiterplatte zu erstellen, die das Verschwimmen während des Lötvorgangs von bestimmten darin oder daneben platzierten Bauteilen verhindern. Weiters sollen die Bauteile beim Aufträgen des Klebers nicht damit in Berührung kommen, also somit auch einen Lotspalt ausbilden, als ob sie nicht geklebt wären. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hier das Verschwimmen von Bauteilen während des Lötvorgangs nicht durch direktes Ankleben verhindert, sondern dadurch, dass positions- und formstabile Klebepunkte oder darauf bestückte Elemente knapp neben dem Bauteil als Verschwimm-Barriere während des Reflow wirken. Der folgende Ablauf kann sich während dem SMT-Fertigungsprozess ergeben:
Nach dem Pastendruck werden SMT-Klebepunkte knapp neben dem fiktiven Bauteilrand platziert,
Dann wird das Bauteil mit dem Bestückautomaten bestückt, ohne den Kleber zu berühren,
Je nach Ausführung gibt es dann zwei Möglichkeiten o Variante A: Klebepunkte selbst bilden später die Barriere; damit wäre der Bestückvorgang abgeschlossen o Variante B: ein extra Barriere-Element wird in diesem Schritt neben dem Bauteil auf den Klebepunkt bestückt
Klebepunkte härten im Reflow-Ofen rasch aus und bleiben an ihrer Position, erst dann beginnt das Lot unter dem Bauteil zu schmelzen
Das Bauteil beginnt auf dem flüssigen Lot einzuschwimmen, ein Verschwimmen wird jedoch von dem bereits harten Klebepunkt (Var. A) oder dem mittels Kleber fixierten Barriere- Element (Var. B) (weitestgehend) verhindert.
Es ergibt sich ein viel geringerer Versatz des Bauteils als ohne Barriere
Während die Bauteile ungehindert mehrere lOOpm verschwimmen könnten (und dadurch außerhalb der zulässigen AOI-Toleranzen liegen würden) kann mit der gegenständlichen Methode das Verschwimmen auf ein vertretbares Ausmaß reduziert werden (beispielsweise 100-200pm).
Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform näher erläutert, die in den Figuren veranschaulicht ist. Darin zeigt
Figur la eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eine Schaltungsträgers mit einem darauf zu befestigenden SMD-Bauteil gemäß dem Stand der Technik, Figur lb ein verschwommenes befestigtes SMD-Bauteil gemäß Fig. 1 a,
Figur 2a eine Schnittdarstellimg einer Ausführungsform gemäß der Erfindung im nichtverlöteten Zustand,
Figur 2b die Schnittdarstellung nach Fig. 2a im verlöteten Zustand,
Figur 2c ein Detail der Fig. 2b,
Figur 2d ein weiteres Detail der Fig. 2b, in dem erkennbar ist, dass das SMD-Bauteil gegen eine Barriere stößt und durch diese in seiner Position gehalten wird
Figuren 3a bis 3d Darstellung unterschiedlicher Varianten an Klebepunktkonfigurationen gemäß der Erfindung, und
Figuren 4a bis 4c unterschiedliche Varianten an Begrenzungskörperkonfigurationen gemäß der Erfindung.
In den folgenden Figuren bezeichnen - sofern nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
Figur la zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Schaltungsträgers 2 mit einem darauf zu befestigenden SMD-Bauteil 1 gemäß dem Stand der Technik. Wie in Fig. lb zu erkennen ist, ist das Bauteil 1 während des Lötvorganges auf einem in der Figur nicht dargestellten Lötdepot 3 verschwommen und in dieser verschwommenen Endposition fest verlötet.
Figur 2a zeigt eine Schnittdarstellimg einer Ausführungsform gemäß der Erfindung im nichtverlöteten Zustand. Darin ist eine Anordnung gezeigt, an der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum positionsstabilen Verlöten eines SMD-Bauteils 1 mit einem Schaltungsträger 2 und umfasst im gezeigten Ausführungsbespiel die folgenden Schritte a) bis e): a) Bereitstellen eines Schaltungsträgers 2 umfassend zumindest eine mit Lötpaste 3 beschichtete Trägerplattenkontaktfläche 2a, die zur elektrischen, thermischen und/oder mechanischen Kontaktierung von dem zu verbindenden SMD-Bauteil 1 eingerichtet ist. Der Schaltungsträger 2 ist zumindest im Bereich der Träger plattenkontaktfläche 2a mit einer Anzahl an nicht mit geschmolzenem Lotgut benetzbaren gefüllten Durchkontaktierungen 6 durchsetzt. Diese Anzahl ist grundsätzlich variabel und nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt. b) Aufbringen von - in diesem Ausführungsbeispiel - zwei Klebepunkten 4a und 4b an dem Schaltungsträger 2 dergestalt, dass diese Klebepunkte 4a und 4b die mit Lötpaste 3 beschichtete Trägerplattenkontaktfläche 2a an je einer Seite der Lötpaste 3 zugeordneten Randpunkten Ra bzw. Rb begrenzen. Unter einem Randpunkt wird dabei ein Punkt verstanden, der einer Seite der Lötpaste 3 bzw. einer darüber liegenden Seite des SMD-Bauteils 1 zugeordnet ist. Unter dem Ausdruck „begrenzen" wird dabei ein „Eingrenzen" verstanden. Das bedeutet nicht, dass der Randpunkt durch den Klebepunkt 4a bzw. 4b während des Aufbringens kontaktiert wird. Im Gegenteil - es ist ein Mindestabstand in Bezug auf das SMD- Bauteil 1 vorgesehen, wie noch später erwähnt wird. Der Ausdruck „begrenzen" stellt auf die Begrenzung eines Verschwimmvorganges des SMD-Bauteils 1 ab und die Randpunkte, insbesondere Ra und Rb, bezeichnen jeweils einen Punkt an exponierte Kanten bzw. Vorsprüngen des Bauteils 1, der beispielsweise bei einem Verschwimm vor gang auf eine Barriere 5 bzw. einen Klebepunkt 4a bzw. 4b stößt. c) Aufsetzen eines zumindest eine Bauteilkontaktfläche la umfassenden SMD-Bauteils 1 auf die mit Lötpaste 3 beschichtete Trägerplattenkontaktfläche 2a dergestalt, dass die zumindest eine Bauteilkontaktfläche la die Trägerplatenkontaktfläche 2a über die dazwischenliegende Lötpaste 3 elektrisch, thermisch und/ oder mechanisch kontaktiert. Das Aufsetzen erfolgt dabei dergestalt und die Position der Klebepunkte 4a und 4b in Schritt b) ist dergestalt gewählt, dass das SMD-Bauteil 1 berührungsfrei mit den Klebepunkten 4a und 4b auf der Lötpaste 3 ruht. d) Abwarten eines Aushärtevorgangs der zwei Klebepunkte 4a und 4b für eine vorgebbare Zeitdauer t, beispielsweise eine Minute (genauer gesagt, kann dieser Vorgang je nach Temperatur z.B. bis l-5min dauern - im typ. Reflow bei ~150°C Plateauphase am Anfang wird dieser Vorgang ca. 90-120s dauern), e) Erhitzen, Schmelzen und nachfolgendes Abkühlen der Lötpaste 3 zum Herstellen einer elektrischen, thermischen und/ oder mechanischen Verbindung zwischen der zumindest einen Bauteilkontaktfläche la des SMD-Bauteils 1 und der zumindest einen Trägerplattenkontaktfläche 2a des Schaltungsträgers 2. Mit Hilfe der Klebepunkte 4a und 4b, die in Figur 2b im bereits ausgehärteten Zustand gezeigt sind, wird eine Barriere 5 dergestalt ausgebildet, dass zum Ersten ein vertikales Absinken des SMD-Bauteils im geschmolzenen Zustand der Lötpaste 3 ermöglicht ist, und zum Zweiten ein horizontales Verschwimmen des SMD-Bauteils auf der geschmolzenen Lötpaste 3 in Richtung der Barriere 5 durch die Barriere 5 mechanisch begrenzt wird. Die Barriere 5 wird vorliegend durch die beiden Klebepunkte 4a und 4b gemeinsam ausgebildet.
Fig. 2c zeigt ein Detail der Fig. 2b. Darin ist erkennbar, wie sich das mm verfestigte Lötgut 3 in seiner Verteilung durch Einfluss der Durchkontaktierung 6 verändert hat: Dadurch, dass die Durchkontaktierung ebenso im Randbereich der Kontaktierung des SMD-Bauteils 1 liegt, und die Durchkontaktierung nicht mit Lötgut 3 benetzbar ist, hat sich das Lötgut 3 auf einen unterhalb des SMD-Bauteils 1 liegenden Bereich zurückgezogen. Dieses „Zurückziehen" verursacht mechanische Kräfte auf das SMD-Bauteil 1, die ein Verschwimmen des Bauteils 1 begünstigen. Das Verschwimmen tritt nicht immer ein - im vorliegenden Fall ist das Bauteil 1 allerdings nicht in seiner Position geblieben. Fig. 2d zeigt hingegen ein Szenario, in der das Bauteil 1 gegen die Barriere 5 stößt und durch diese in seiner Position gehalten wird.
In Figuren 2a und 2b ist erkennbar, dass die in Schritt a) mit Lötpaste 3 beschichtete Trägerplattenkontaktfläche 2a mit einer Lötstopplackschicht 8 umgeben ist, wobei die zwei Klebepunkte 4a und 4b auf der Lötstopplackschicht 8 angeordnet sind. Die Klebepunkte müssen allerdings nicht zwingend auf der Leiterplattenschicht platziert werden, sondern können sich z.B. auch auf der Trägerplattenkontaktfläche 2a der Leiterplatte befinden.
Die Höhe hi (siehe Fig. 2a) der Klebepunkte 4a, 4b, 4c, 4d, 4e beträgt zumindest 40%, vorzugsweise zumindest 60%, besonders bevorzugt zumindest 100% der Höhe h2 (siehe Fig. 2a) eines durch die Lötpaste 3 ausgebildeten Lötpastendepots 3a im imgeschmolzenen Zustand, wobei die Barriere 5 ausschließlich durch die Klebepunkte 4a und 4b selbst ausgebildet wird. In den Figuren 2a und 2b ist erkennbar, dass die Klebepunkte 4a und 4b kugelkalottenförmig ausgebildet sind.
Figuren 3a bis 3d zeigen Darstellungen unterschiedlicher Varianten an
Klebepunktkonfigurationen gemäß der Erfindung. In Fig. 3a ist die Verwendung eines einzigen Klebepunktes 4a gezeigt, der an einer Seite des SMD-Bauteils 1 positioniert ist. Fig. 3b zeigt eine Variante, bei der Klebepunkte 4a und 4b an je einer Ecke des SMD-Bauteils 1 positioniert sind. Fig. 3c zeigt eine Variante, in der zusätzlich zu den Eckklebepunkten 4a und 4b auch noch ein an der Seite angeordneten Klebepunkt 4c vorgesehen ist. Fig. 3d zeigt den Einsatz von fünf nacheinander angeordneten Klebepunkten 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, die gemeinsam linienförmig zur Ausbildung einer linienförmigen Barriere 5 erweitert ist („Kleberaupe"). Grundsätzlich sind noch zahlreiche weitere Konfigurationen denkbar. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass zumindest ein zweiter Klebepunkt vorgesehen ist, der vorzugsweise den ersten Klebepunkt kontaktiert, wobei der zweite Klebepunkt linienförmig dergestalt ausgebildet ist, dass gemeinsam mit dem ersten Klebepunkt eine im Wesentlichen L- oder U- förmige das SMD-Bauteil 1 zumindest teilweise umschließende Kontur ausgebildet wird.
Die Figuren 4a bis 4c zeigen unterschiedliche Varianten an Begrenzungskörperkonfigurationen gemäß der Erfindung. Demnach wird nach Schritt b) und vor Schritt d) zumindest ein Begrenzungskörper 7 auf den zumindest einen Klebepunkt 4a (in den Figuren nicht gezeigt) aufgesetzt. Die Barriere 5 ist mit Hilfe des Begrenzungskörpers 7 ausgebildet. Der Begrenzungskörper kann U-förmig (Fig. 4c) oder L-förmig (Fig. 4b) ausgebildet sein oder auch eine gerade Form (Fig. 4a) haben. Auch können mehrere Begrenzungskörper 7 eingesetzt werden.
Vorzugsweise bestehen die Klebepunkte aus wärmehärtendem Material. Die Wärmehärtetemperatur liegt dabei unterhalb der Schmelztemperatur des Lötguts.
In den Figuren 3a bis 4c ist erkennbar, dass das SMD-Bauteil 1 jeweils eine rechteckige Grundfläche lc (Bezugszeichen siehe Fig. 3a und 4a) aufweist. Aus Fig. 3a geht hervor, dass der Klebepunkt 4a so positioniert wird, dass dieser nach Bestückung mit dem SMD-Bauteil 1 unter Einhaltung des Sicherheitsabstandes s in Schritt b) in unmittelbarer Nähe zu einer Seite der rechteckigen Grundfläche lc liegt. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern durch den gesamten Schutzumfang der Ansprüche definiert. Auch können einzelne Aspekte der Erfindung bzw. der Ausführungsformen aufgegriffen und miteinander kombiniert werden. Etwaige Bezugszeichen in den Ansprüchen sind beispielhaft und dienen nur der einfacheren Lesbarkeit der Ansprüche, ohne diese einzuschränken.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum positionsstabilen Verlöten eines SMD-Bauteils (1) mit einem Schaltungsträger (2), umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Schaltungsträgers (2) umfassend zumindest eine mit Lötpaste (3) beschichtete Trägerplattenkontaktfläche (2a), die zur elektrischen, thermischen und/ oder mechanischen Kontaktierung von dem zu verbindenden SMD-Bauteil (1) eingerichtet ist, wobei der Schaltungsträger (2) zumindest im Bereich der Trägerplattenkontaktfläche (2a) mit einer Anzahl an nicht mit geschmolzenem Lotgut benetzbaren gefüllten Durchkontaktierungen (6) durchsetzt ist, b) Aufbringen von zumindest einem Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) an dem Schaltungsträger (2) dergestalt, dass dieser Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) die mit Lötpaste (3) beschichtete Trägerplattenkontaktfläche (2a) an zumindest einer Seite der Lötpaste (3) zugeordneten Randpunkt (Ra, Rb) begrenzt, c) Aufsetzen eines zumindest eine Bauteilkontaktfläche (la) umfassenden SMD-Bauteils (1) auf die mit Lötpaste (3) beschichtete Trägerplattenkontaktfläche (2a) dergestalt, dass die zumindest eine Bauteilkontaktfläche (la) die Trägerplattenkontaktfläche (2a) über die dazwischenliegende Lötpaste (3) elektrisch, thermisch und/ oder mechanisch kontaktiert, wobei das Aufsetzen dergestalt erfolgt und die Position des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) in Schritt b) dergestalt gewählt ist, dass das SMD-Bauteil (1) berührungsfrei mit dem zumindest einen Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) auf der Lötpaste (3) ruht, d) Abwarten eines Aushärtevorgangs des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) für eine vorgebbare Zeitdauer t, e) Erhitzen, Schmelzen und nachfolgendes Abkühlen der Lötpaste (3) zum Herstellen einer elektrischen, thermischen und/ oder mechanischen Verbindung zwischen der zumindest einen Bauteilkontaktfläche (la) des SMD-Bauteils (1) und der zumindest einen Trägerplattenkontaktfläche (2a) des Schaltungsträgers (2), wobei mit Hilfe des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) eine Barriere (5) dergestalt ausgebildet ist, dass zum Ersten ein vertikales Absinken des SMD-Bauteils im geschmolzenen Zustand der Lötpaste (3) ermöglicht ist, und zum Zweiten ein horizontales Verschwimmen des SMD-Bauteils auf der geschmolzenen Lötpaste (3) in Richtung der Barriere (5) durch die Barriere (5) mechanisch begrenzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in Schritt a) mit Lötpaste (3) beschichtete Trägerplattenkontaktfläche (2a) mit einer Lötstopplackschicht (8) umgeben ist, wobei der zumindest eine Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) auf der Lötstopplackschicht (8) und/ oder auf einem nicht mit Lötpaste (3) beschichteten Abschnitt der Träger plattenkontaktfläche (2a) angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Höhe (hi) des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) zumindest 40%, vorzugsweise zumindest 60%, besonders bevorzugt zumindest 100% der Höhe (h2) eines durch die Lötpaste (3) ausgebildeten Lötpastendepots (3a) im imgeschmolzenen Zustand beträgt, wobei die Barriere (5) ausschließlich durch den zumindest einen Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) selbst ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) kugelkalottenförmig ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein erster Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) linienförmig zur Ausbildung einer linienförmigen Barriere (5) erweitert ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zumindest ein zweiter Klebepunkt vorgesehen ist, der vorzugsweise den ersten Klebepunkt kontaküert, wobei der zweite Klebepunkt linienförmig dergestalt aus gebildet ist, dass gemeinsam mit dem ersten Klebepunkt eine im Wesentlichen L- oder U-förmige das SMD-Bauteil (1) zumindest teilweise umschließende Kontur ausgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe (hi) des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) zumindest 50 Mikrometer, vorzugsweise zumindest 100 Mikrometer, beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach Schritt b) und vor Schritt d) zumindest ein Begrenzungskörper (7) auf den zumindest einen Klebepunkt (4a) aufgesetzt wird, und die Barriere (5) mit Hilfe des Begrenzungskörpers (7) ausgebildet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) aus wärmehärtenden Material besteht und das Aushärten des zumindest einen Klebepunktes (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) gemäß Schritt d) durch Temperaturerhöhung des Schaltungsträgers (2) mitsamt des zumindest einen Klebepunktes (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) erfolgt, wobei die beispielsweise im Zuge eines Reflow- Lötvorganges erfolgt, wobei die für die Wärmehärtung erforderliche Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Lötmaterials liegt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Klebematerial dergestalt gewählt ist, dass das Klebervolumen während der Aushärtung um maximal 10% abnimmt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Klebematerial wärmehärtend ausgebildet ist und dergestalt gewählt ist, dass sich dieses unter Zufuhr von Wärme während des Aushärtens gemäß Schritt d) ausdehnt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) mittels eines Dispensers und das SMD-Bauteil (1) mittels eines Bestückungsautomaten aufgebracht werden, wobei der zumindest eine Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) in Schritt b) dergestalt positioniert wird, dass dieser zumindest einen Sicherheitsabstand (s) zu dem Randbereich der Sollposition des SMD-Bauteils (1) aufweist, wobei dieser Sicherheitsabstand (s) aus der Summe der Positionierungstoleranzen des Dispensers und des Bestückungsautomaten, der Größentoleranz des zumindest einen Klebepunkts (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) sowie der Bauteiltoleranz des SMD-Bauteils (1) gebildet wird und beispielsweise mindestens 50 Mikrometer beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das SMD-Bauteil (1) eine rechteckige Grundfläche (lc) aufweist und der zumindest eine Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) so positioniert wird, dass der zumindest eine Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) nach Bestückung mit dem SMD-Bauteil (1) unter Einhaltung des Sicherheitsabstandes (s) in Schritt b) in immittelbarer Nähe zu einer Seite der rechteckigen Grundfläche (lc) liegt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt b) die Anzahl der Klebepunkte (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) dergestalt gewählt wird, dass jeder Seite und/ oder Ecke des SMD-Bauteils (1) genau ein Klebepunkt (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) zugeordnet ist.
15. Schaltungsträger (1) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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